Kvazistacionární magnetické pole - Technická univerzita v Liberci

Již jsme se seznámili se stacionárním magnetickým polem, které je časově neproměnné. Časově proměnné magnetické pole nazýváme polem nestacionárním.

Zvláštním případem tohoto pole je pole kvazistacionární. To je pole, které je sice časově proměnné, ale časové změny jsou dostatečně pomalé. Vlna se v obvodu šíří nekonečnou rychlostí, amplituda v celém obvodu a čase je stejná.

Teorie nestacionárního (a kvazistacionárního) pole nám říká, že magnetické pole nevzniká pouze v časově neproměnné soustavě. Zdrojem nestacionárního pole jsou posuvné proudy, vzniká tedy i se změnou elektrického pole v čase. Jak již bylo zmíněno dříve elektrické a magnetické pole tvoří dohromady pole elektromagnetické a tyto jeho dvě složky jsou neoddělitelné. Pokud popisujeme pouze jednu jeho složku, například pole magnetické, je druhá složka minimální a je v úvahách zanedbávána.

Elektromagnetické pole je popisováno Maxwellovými rovnicemi, z kterých vyplývá, že toto pole je závislé na časových změnách a na rychlosti těchto změn.

Pro popis kvazistacionárního pole využíváme elektromagnetickou indukci, která byla objevena M. Faradayem, a podle něj je také nazýván zákon elektromagnetické indukce jako Faradayův indukční zákon. Elektromagnetickou indukci lze ověřit několika pokusy, za různých situací. Ty nám říkají, že změna magnetického pole vyvolává indukovaný proud. Pro výpočet indukovaného elektromotorického napětí využíváme Faradayův indukční zákon:

Pro kvazistacionární pole se nemění Maxwellovy rovnice. Přestože stacionární a kvazistacionární pole jsou popisovány stejnými rovnicemi, působení těchto dvou polí na nabitou částici se liší. Matematický popis těchto dvou polí je tedy stejný, ovšem fyzikální podmínky jsou pro obě odlišné. [5]

~ 16 ~ 2.4 Elektromagnetické vlny

Elektromagnetické pole je podle představ a popisu Maxwellovými rovnicemi v podstatě elektromagnetické vlnění. Elektromagnetické vlny se skládají z vektorů intenzity elektrického pole E a intenzity magnetického pole H, které jsou na sebe vzájemně kolmé. Zároveň jsou kolmé na směr, jímž se tato vlna šíří v prostředí.

Názorně můžeme směr tohoto šíření a rozložení vektorů vidět na Obrázku 1.

Obrázek 1 – Poyntingův vektor [5]

Směr toho šíření nazýváme Poyntingův vektor, značíme ho S a jeho vztah k intenzitám elektrického a magnetického pole je:

Elektromagnetické vlny se chovají podobně jako světelné záření, a proto pro ně platí stejné zákony pro odraz a lom, a vykazují stejné jevy – interferenci, polarizaci, ohyb.

2.5 Magnetické vlastnosti látek

Každá látka, živý organismus a dokonce i jednotlivé molekuly a atomy mají svou magnetickou aktivitu, své magnetické pole a projevují se svými magnetickými účinky a stejně tak reagují a jsou ovlivňovány magnetickým polem ostatních objektů.

[7]

~ 17 ~

U většiny látek, pokud se nevyskytují v magnetickém poli, jsou atomové momenty orientovány chaoticky. Výsledný magnetický moment makroskopického množství takové látky je roven nule. Po vložení do vnějšího magnetického pole začne na tyto atomové magnetické momenty působit moment síly, který je orientuje do směru pole, což způsobí, že látka již nemá nulový makroskopický magnetický moment.

Znamená to, že látka je zmagnetována. [5]

Magnetické vlastnosti látek se samozřejmě liší podle typu látky a uspořádání atomů. Magnetické pole působí na atomy tak, že pokud je dostatečně silné, stáčí spin elektronů v atomovém obalu. Látky se mohou v magnetickém poli chovat různě a také mají rozdílné účinky na toto pole. Podle těchto jejich vlastností je dělíme následujícím způsobem.

Diamagnetické látky – v magnetickém poli se jejich výsledný magnetický moment otáčí opačně než je celkový moment pole, proto nepatrně zeslabují sílu tohoto pole. Do této skupiny patří voda, většina plynů, většina kovů a většina organických látek.

Paramagnetické látky – v magnetickém poli se magnetický moment těchto látek orientuje shodně s momentem pole. Pokud tyto látky nejsou v magnetickém poli, neprojevují magnetické vlastnosti. Patří sem například platina, mangan, hořčík, sodík, draslík.

Feromagnetické látky – se v magnetickém poli orientují rovněž ve směru magnetického momentu pole. Dosahují velkých magnetických toků, proto jsou využívány v magnetických obvodech. Z těchto látek lze vytvořit permanentní magnety.

Patří sem například železo, nikl, kobalt, různé slitiny.

Jak již bylo zmíněno dříve, magnetismus ovlivňuje všechny látky, včetně mikroorganismů. Magnetické pole o určité síle dokáže změnit stav magnetických vlastností látek a mění tak jejich chování. Takto narušená rovnováha znamená oslabení biologického magnetismu a ztěžuje schopnosti chemikálií adekvátně reagovat v procesech látkové přeměny. [8]

~ 18 ~

V každé látce se vyskytují elektricky nabité částice, a proto je každá látka zmagnetizovatelná. Jak velké účinky bude mít vnější magnetické pole na látku či organismus záleží na počtu těchto elektricky nabitých částic. Čím více jich látka obsahuje, tím větší účinky má pole na tuto látku, protože částice se hromadně uspořádají ve směru nebo proti směru působení pole, jak bylo popsáno výše. Pokud látka obsahuje příliš malé množství elektricky nabitých částic, jsou účinky magnetického pole minimální.

Při působení na nabité částice záleží také samozřejmě na tom, jestli jsou nabité kladně nebo záporně, a tedy k jakému pólu budou přitahovány. Při biologickém pozorování magnetického pole označujeme póly jako bioseverní a biojižní. Oba póly působí na živou tkáň rozdílně a do značné míry mají opačné účinky než druhý. Biojižní pól působí pozitivně na biologickou činnost, zvyšuje kyselost prostředí, zvyšuje průchodnost krevním řečištěm, urychluje látkovou přeměnu. Bioseverní pól naopak biologickou činnost tlumí, zvyšuje zásaditost prostředí, snižuje průchodnost krevního řečiště a zpomaluje látkovou přeměnu. [9]

Na velikost účinků při aplikování magnetismu má vliv mnoho okolností. především lidé s kardiostimulátorem, těhotné ženy a lidé, kteří mají jakoukoliv náhradu vyrobenou z kovu. Při práci je také důležité myslet na to, že magnetické pole může znehodnotit ID karty, diskety, mobilní telefony, hodinky, apod.

~ 19 ~ 3 Bakterie

3.1 Struktura buňky

Bakterie jsou jednobuněčné organismy, jejich tělo je tedy tvořenou pouze jednou buňkou. Tyto buňky jsou, kromě několika výjimek, pevně ohraničeny buněčnou stěnou, pod kterou je cytoplazmatická membrána. Ta je jedinou membránou buňky, jelikož vnitřní organely nejsou membránami ohraničeny. Skutečnost, že bakterie mají neohraničené jádro, je řadí mezi prokaryotické buňky. Společně s jednobuněčnými organismy zvanými Archea (dříve známé jako archebakterie), jsou jedinými zástupci prokaryot. [10]

Bakterie se rozmnožují příčným dělením. Z mateřské buňky vznikají dvě buňky dceřiné. Ty jsou zcela shodné a nesou stejnou genetickou informaci jako buňka mateřská.

Bakterie mají velikost 0,2-2 μm. [11] Mohou mít tvar tyčinek nebo tvar kulovitý, potom je nazýváme koky. Pro ty je typické, že se shlukují do různých útvarů, například do řetízků (streptokoky), hroznů (stafylokoky), dvojic (diplokoky), tetrád (Micrococcus) a dalších. Také bakterie ve tvaru tyčinek mohou tvořit tyto shluky, například řetízky, palisády, vějíře, spirály. [12]

3.1.1 Buněčná stěna

Buněčná stěna se vyskytuje téměř u všech bakterií, kromě několika málo výjimek. Obklopuje buňku, drží její tvar, zajišťuje její odolnost, vůči vnějším vlivům a může obsahovat důležité látky, pomocí kterých určujeme charakteristiku bakterií.

Těmito látkami jsou lipopolysacharidy a peptidoglykany, pomocí čehož určujeme, zda je bakterie gram-pozitivní či gram-negativní, což je jednou ze základních charakteristik bakterií. Tyto dvě skupiny jsou pojmenovány na základě barvení podle Grama.

To se provádí aplikováním Lugolova roztoku a krystalovou violetí. Tato směs se poté vymývá organickým rozpouštědlem.

Gram-pozitivní bakterie mají buněčnou stěnu větší šířky, která obsahuje značné množství peptidoglykanu. Ten se váže na cytoplasmatickou membránu, která je také obalem buňky a nachází se pod buněčnou stěnou. Peptidoglykan je vázán molekulami

~ 20 ~

kyseliny teichoové a je velmi citlivý na antibiotika. Ta se naváží na enzymy, které tvoří interpeptidové můstky peptidoglykanu, omezí nebo úplně zastaví jejich činnost, což způsobí rozpad stěny. [12] Jak již bylo zmíněno výše, buněčná stěna drží tvar buňky, proto její rozpad znamená také rozpad buňky. Silná stěna gram-pozitivních bakterií nedovoluje přílišné pronikání organického rozpouštědla, proto tyto bakterie zůstávají při barvení podle Grama tmavě modrofialové.

Gram-negativní bakterie mají naopak svou stěnu tenčí, obsahuje méně peptidoglykanu, zato značné množství lipopolysacharidů. Díky malému obsahu peptidoglykanu jsou odolnější vůči antibiotikům. Stěna těchto bakterií umožňuje snadné pronikání organického rozpouštědla, dobře tedy odbarvuje aplikovanou směs a po přebarvení safarinem se zobrazuje se růžově. [12]

3.1.2 Cytoplazmatická membrána

Cytoplazmatická membrána je polopropustným obalem buňky, nachází se pod buněčnou stěnou. Je tvořena lipidovou dvojvrstvou a obsahuje proteiny a enzymy. Díky své semipermeabilitě nepropouští velké částice, bílkoviny a nabité ionty, tím udržuje osmotický tlak uvnitř bakteriální buňky. Společně s buněčnou stěnou odděluje cytoplazmu a vnitřní struktury buňky od vnějšího prostředí.

Tato membrána je fluidní (tekutá) a obsahuje bakteriální lipidy. To jsou zvláštní struktury typické pro bakterie, nevyskytují se u eukaryotních organismů. Těchto lipidů existuje mnoho různých druhů, a proto jsou dobře využitelné pro klasifikaci bakterií.

[12]

3.1.3 Cytoplazma a vnitřní struktury

Cytoplazma je vnitřní výplní bakteriální buňky. Je zcela obklopena cytoplazmatickou membránou a buněčnou stěnou, nedostává se tedy mimo buňku, pokud nejsou tyto struktury narušeny nežádoucími vlivy. Obsahuje také řadu struktur, které se nachází uvnitř buňky a nejsou od cytoplazmy odděleny membránami. Těmi nejdůležitějšími jsou ribozomy, plazmidy a buněčné jádro.

Ribozomy jsou útvary skládající se z RNA, probíhá zde syntéza bakteriálních bílkovin. [11]

Plazmidy jsou malé útvary složeny z DNA, asi 100x menší než DNA obsažená v jádře. [12] Obsahují tedy genetickou informaci. Tyto informace nejsou pro život

~ 21 ~

buňky nezbytné. Mohou ovšem obsahovat takovou informaci, která je pro bakterii jistým zvýhodněním, jako je například resistence vůči antibiotikům. Bakterie mohou plazmidy přenášet, a tím pádem tak předávat genetickou informaci, která je v nich obsažena. Tento přenos probíhá buď konjugací (spojení dvou bakterií) nebo transdukcí (plazmid je do jiné bakteriální buňky dopraven pomocí bakteriofága).

V cytoplazmě se také nachází tzv. nepravé jádro. Není to skutečné buněčné jádro, protože nemá jadernou membránu, která by ho oddělovala od cytoplazmy.

Nazýváme ho proto nukleoid. Je uložen volně v cytoplazmě a je tvořen bakteriálním chromozomem, který se skládá z jedné molekuly DNA stočené do kruhu.

3.1.4 Bičíky a fimbrie

Fimbrie jsou krátké proteinové brvy na povrchu některých bakterií, které pomáhají k přilnutí bakterie k nějakému povrchu. Mohou mít také zcela specifickou funkci, která napomáhá přilnutí pouze k určitému povrchu.

Bičíky jsou bílkovinná vlákna, schopná kontrakce, a jsou pro bakterie orgánem pohybu. Tento pohyb může být velmi rychlý, může být neřízený nebo může být ovládán chemoreceptory. Obvyklý počet bičíků pro jednu buňku je jedna až deset. Tento počet bývá závislý na druhu bakterie, je proto dobrým určujícím znakem. Bičíky se proto někdy v mikroskopickém preparátu zvýrazňují tzv. stříbřením. [10]

3.2 Metabolismus bakterií

Metabolismus je souhrn všech přenosů látek a energie. Tyto reakce mohou probíhat uvnitř buňky nebo mezi vnitřním a vnějším prostředím. Umožňují růst a množení bakterií, udržují rovnováhu v buňce. Existují dva typy metabolických procesů – anabolické a katabolické.

Katabolické reakce jsou rozkladné metabolické děje, kdy jsou složité molekuly a struktury štěpeny na menší a jednodušší části. Během těchto procesů se uvolňuje energie, kterou poté může bakteriální buňka využít.

Anabolické reakce jsou takové metabolické děje, při kterých jsou z jednodušších struktur skládány složité molekuly. Pro tyto děje je vždy zapotřebí energie.

~ 22 ~

Nároky bakterií na živiny jsou vázány na druh. Bakterie lze tedy rozdělit do dvou skupin – autotrofní a heterotrofní.

Autotrofní bakterie tvoří všechny své struktury z anorganických látek. Využívají k tomu oxid uhličitý nebo karbonáty. [13]

Heterotrofní bakterie potřebují ke stavbě svých komponent organické látky, které je potřeba získat z vnějšího prostředí. [13]

Bakterie můžeme také dělit do skupin podle toho, jaké mají nároky na kyslík.

Dělíme je na obligátně aerobní, obligátně anaerobní, fakultativně anaerobní, mikroaerofilní a anaerobní aerotolerantní. [14]

Obligátně aerobní bakterie jsou takové, které mohou žít a množit se pouze v přítomnosti dostatečného množství kyslíku.

Obligátně anaerobní bakterie naopak mohou žít a růst pouze za naprosté nepřítomnosti kyslíku, ten je pro ně toxický.

Fakultativně anaerobní bakterie mohou žít za obou uvedených podmínek, tedy za přítomnosti i nepřítomnosti kyslíku.

Mikroaerofilní bakterie jsou takové, pro něž jsou nejpříznivější podmínky k životu při nízkém obsahu kyslíku a naopak velkém množství oxidu uhličitého.

Anaerobní aerotolerantní bakterie mohou žít za přítomnosti kyslíku, ten ovšem ovlivňuje jejich schopnost růstu a množení.

Toto rozdělení podle potřeb kyslíku pro životaschopnost bakterie je důležité, protože díky němu můžeme odhadnout, kde se daný druh bakterie může vyskytovat, a také proto, abychom byli schopni připravit odpovídající podmínky při cílené kultivaci v laboratoři

3.3 Mikrobiální biofilm

Biofilm je zvláštní struktura vytvořená spojením bakterií. Jedná se o bakteriální povlak (společenstvo), které přináší bakteriím mnoho výhod. Tato struktura může vytvářet uvnitř sebe takové prostředí, které je pro bakterie daného druhu vhodné nebo dokonce zcela nezbytné. Biofilm také poskytuje jistou formu ochrany pro bakterie

~ 23 ~

v něm obsažené, jelikož tato struktura je méně ovlivnitelná vnějšími vlivy. Například v lidském těle jsou bakterie díky biofilmu odolnější vůči lékům a obranným mechanismům lidského těla.

Biofilmy se mohou tvořit na vnějším povrchu, ale i na vhodném vnitřním povrchu.

Vyskytují se na různých místech (ve vodárenských filtrech, na kamenných površích, také zubní plak je biofilm). Pro účely této práce je podstatné, že se biofilmy velmi často tvoří také v lidském těle a na řadě lékařských prostředků, jako jsou například implantáty, katétry, kanyly a podobně. [12] V praktické části se budeme zabývat studiem biofilmu, který se vytváří na hadičkách (vybráno bylo několik typů z různých materiálů).

3.3.1 Vznik biofilmu

Bakteriální buňka má na svém povrchu struktury, které napomáhají adhezi k různým povrchům. Jedná se především o glykokalyx, ale také některé povrchové proteiny, glykopeptidy, fimbrie. Glykokalyx se může vytvořit na povrchu buňky, jedná se o vlákna polysacharidů, která jsou zakotvená v buněčné stěně. Tato vlákna mají adhezivní funkci, napomáhají buňce k přilnutí k jiným strukturám a povrchům.

Prvním krokem při tvorbě biofilm je adheze bakterií na povrch struktury, kde bude biofilm vytvářen. Povrch označujeme jako nosič. Povrchové struktury buňky, které mají adhezivní schopnosti, přilnou k povrchu nosiče. Tento krok je rozhodující a bývá často kritický. Poté se buňky začnou rozmnožovat a růst, vytváří tak primární biofilm, ke kterému se mohou přichycovat další buňky. Ty mohou být stejného druhu, nebo se může navázat nový mikroorganismus. Přisedáním nových buněk se tvoří sekundární biofilm. Vznik sekundárního biofilmu je o poznání rychlejší, než tvorba primárního. Důvodem je pravděpodobně snadnější přilnutí buněk k již vytvořené vrstvě primárního biofilmu, na rozdíl od první fáze, kdy se buňky musí adaptovat na podmínky prostředí. Tato adaptace je spojená s hydrofobitou nosiče. Pro tvorbu biofilmu je výhodnější hydrofobní povrch. Je prokázáno, že biofilmy se lépe tvoří například na teflonu nebo obecně na plastech, než na skle či kovu. [15]

Dalšími faktory pro tvorbu biofilmu jsou struktura povrchu, jeho pórovitost (buňky se snadněji uchycují na drsném a pórovitém povrchu). Také to, v jakém mediu se tato tvorba odehrává, hraje důležitou roli. Tvorba je samozřejmě rychlejší v takovém médiu, které poskytuje bakteriím dostatek živin.

~ 24 ~

3.3.2 Růst biofilmu

Další fází je fáze růstu biofilmu, kdy se buňky rozrůstají, diferencují a zrají.

Dochází k expresi genů, které napomáhají vzniku biofilmu a mění fyziologii buněk.

Během fáze růstu buňky produkují tzv. sliz, který je tvořen extracelulární polymerní substancí (EPS). Tato substance je produkována bakteriemi v biofilmu, které jsou do ní poté fixovány. Společně s bakteriemi je EPS základní složkou, která vytváří biofilm.

Po určité době se růst biofilmu zpomalí a poté úplně zastaví a biofilm dosahuje určité ustálené tloušťky. Výsledná struktura a velikost biofilmu závisí na zachycování dalších bakterií, možnost růstu závisí na množství vyprodukované EPS, a na odumírání buněk, které může způsobit odpadávání částí biofilmu. [15] Celý tento proces vývoje biofilmu vidíme na Obrázku 2.

Obrázek 2 - Fáze vývoje biofilmu [15]

3.3.3 Stavba biofilmu

Struktura bakteriálního biofilmu závisí na biologických a fyzikálních faktorech, které byly popsány výše, jako například schopnost přizpůsobení se buněk, přenos látek, odtrhávání částí. Biofilmy vytváří svou strukturu také závisle na tom, v jakém prostředí se tvoří, případně jak rychle proudí okolní kapalina, pokud se biofilm tvoří v kapalném prostředí. Biofilmy tvořené ve vysokých průtokových rychlostech jsou hustší a pevnější

~ 25 ~

(potřebují být odolné vůči proudícímu okolí), nicméně rostou pomaleji, protože snaha o zvýšení odolnosti biofilmu vede k pomalejšímu přenosu látek mezi buňkami.

Pro biofilmy je důležitější prvně udržet celistvost a pevnost, poté teprve zajišťují rychlý přenos živin. [15]

Již vytvořený biofilm má heterogenní strukturu. Bakterie jsou rozptýlené v substanci, ve které se vyskytují kanálky naplněné vodou. Není zde žádná pravidelnost, bakterie jsou v této struktuře rozmístěny nahodile. Rostou zde v mikrokoloniích, které mívají obvykle kuželovitý nebo válcový tvar. Tyto mikrokolonie jsou navzájem propojeny již zmíněnými kanálky. Ty slouží jako transportní dráhy pro živiny, nebo mohou fungovat jako jakýsi vylučovací systém pro odvod odpadních látek. Tyto kanálky mohou fungovat jak uvnitř biofilmu, tak mezi jeho vnitřním a vnějším prostředím.

Pórů je největší množství na rozhraní mezi vnitřním prostředím biofilmu a okolním prostředím. Postupně jich ubývá s větší hloubkou, v nejhlubších vrstvách biofilmu se póry již nacházet ani nemusejí, pak probíhá přenos látek difuzí. Z tohoto důvodu je kyslík v biofilmu nejvíce přítomen v okrajových částech, v hlubokých vrstvách je koncentrace kyslíku nízká, může dokonce docházet k anaerobnímu prostředí a tím tak k odumírání prvotně přisedlého biofilmu. [15]

~ 26 ~

4 Využití (elektro)magnetického pole v biologii

Tato kapitola se bude věnovat doposud známým účinkům magnetického i elektromagnetického pole v biologii, zejména na mikroorganismy, provedené pokusy, a zjištěné výsledky. Jelikož se jedná o jedno z velmi diskutovaných témat, zda lze (elektro)magnetickým polem ovlivnit živé organismy, tak tato rešerše poslouží k seznámení se s doposud známými informacemi, aby bylo možné usoudit nač a jakým způsobem posléze navazovat v praktické části.

Podle Berga [16], který se zabýval tímto tématem na úrovni buněčné biologie je působení slabého elektrického pole na buňky zcela prokazatelné. Je potřeba měřit frekvenci, amplitudu a dobu působení tohoto pole, aby mohly být tyto hodnoty zohledněny při hodnocení účinků. Výsledky byly hodnoceny podle změn buněčné proliferace, iontového transportu, aktivace několika specifických enzymů (např. Na/K ATPázy, což je enzym, který slouží jako pumpa na buněčné membráně a udržuje gradient sodných a draselných iontů) a zvýšení koncentrace určitých proteinů (napři „heat shock protein“, což je skupina proteinů, která je zodpovědná za buněčnou odpověď, při vystavení vysokým teplotám). Na druhou stranu bylo také zjištěno, že výsledky z různých laboratoří se nemusí shodovat, obzvláště pokud bylo použito pole slabší než 0,05 mT. Pravděpodobně z následujících důvodů: rozdíly v postupech (metodikách měření), interference vlnění pokud bylo použito příliš slabé pole, nebo také

In document Technická univerzita v Liberci (Page 17-0)